ATM и альтернативы на магистрали глобальной сети

ATM — далеко не самый эффективный и дешевый транспорт для информационного IP-трафика. В этой связи двумя конкурирующими технологиями для сетей следующего поколения оказываются пакеты поверх SONET и пакеты поверх фотонов.

Большинство администраторов корпоративных сетей не особенно задумывается о том, какую транспортную технологию выбрать для доставки сетевого трафика из одной компании в другую и от заказчиков в компанию. Том Нолле, президент консалтинговой фирмы CIMI Corporation, утверждает, что администраторам сетей по большей части все равно, как доставляются пакеты данных из одного места в другое.

Однако уже в ближайшем будущем как традиционные, так и новые операторы глобальных сетей будут в своих маркетинговых программах делать акцент на достоинства конкретных применяемых ими технологий для доставки пакетов из одной точки в другую, поэтому потенциальным заказчикам необходимо быть осведомленными и о положительных, и об отрицательных сторонах этих подходов.

Рисунок 1. В глобальных сетях данные обычно преобразуются в ячейки ATM (уровень 2) и передаются поверх SONET (уровень 1). Данные реального времени могут преобразовываться непосредственно в ячейки или вначале в IP-пакеты.

И SNA, и IPX, и DECnet появились давным-давно, однако широкую популярность как комплект протоколов для транспортного и сетевого уровня приобрел TCP/IP, причем он быстрыми темпами отбирает их долю трафика у других протоколов третьего и четвертого уровней. Поэтому в этой статье мы будем рассматривать только методы транспортировки трафика TCP/IP, т. е. подходящие для этой цели протоколы физического и канального уровней (см. Рисунок 1). Главными претендентами являются IP поверх ATM поверх SONET, IP поверх PPP поверх SONET (часто IP поверх SONET или пакеты поверх SONET) и IP поверх PPP поверх упрощенной разновидности SONET (часто IP поверх фотонов или IP поверх лямбда, где лямбда — буква греческого алфавита, используемая для обозначения длины волны).

Прежде всего мы рассмотрим функции нижних уровней стека OSI. Первый, физический, уровень определяет поток битов по среде передачи. Он описывает электрические, электромагнитные или оптические импульсы, которые можно интерпретировать как биты, а также физическую среду, соединители и другие физические аспекты информационного канала. Второй, канальный, уровень определяет логические информационные потоки между двумя точками. Он описывает доступ к физической линии и обычно предусматривает ту или иную форму контроля и исправления ошибок, чтобы вышележащие уровни могли иметь надежный канал передачи.

SONET И УРОВЕНЬ 1

SONET чаще всего характеризуется как протокол первого уровня. Он определяет свойства оптического потока битов и характеристики оптического волокна, по которому данные передаются. Как и спецификация T-1, SONET описывает блоки данных в виде кадров. Кадры SONET структурированы в целях обеспечения, помимо передачи данных, выполнения служебных операций.

Кроме того, кадры SONET упрощают использование потока битов в качестве транспорта другими потоками трафика — традиционными синхронными телефонными потоками, такими, как каналы DS1 и DS3, а также ATM и другими асинхронными источниками данных. Любой стандартный коммуникационный трафик из Северной Америки, Европы и Японии может быть мультиплексирован в SONET.

В отличие от большинства кадров второго уровня, кадры SONET не предусматривают средств обнаружения и исправления ошибок. Вместе с тем SONET имеет функцию автоматического чрезвычайного переключения (Automatic Protection Switching, APC), благодаря которой работоспособность двойного оптического кольца SONET может быть восстановлена в течение 50 мс после повреждения кабеля посредством реконфигурации кольца. Многочисленные привлекательные стороны SONET сделали его основным протоколом для дальних высокоскоростных коммуникаций по оптическому кабелю. Во-первых, SONET масштабируем, и обычно для него первого реализуются новые высокоскоростные интерфейсы. В наши дни, когда ОС-3 (155 Мбит/с) все чаще отводится роль абонентской, а не магистральной технологии, когда интерфейсы OC-48 (2,4 Гбит/с) имеются на многих высокоскоростных коммутаторах и маршрутизаторах, когда OC-768 (40 Гбит/с) больше не является плодом воображения, SONET всякий раз оказывается первым, а часто и единственным способом реализации этих постоянно возрастающих скоростей передачи.

Вторая важная особенность SONET — стандартизация. До появления SONET каждый производитель оптического оборудования реализовывал его по-своему. Поэтому наблюдаемое оживление мирового телекоммуникационного рынка вряд ли было бы возможно без стандартизации транспортных протоколов для оптической среды передачи. В том, что касается высокоскоростной передачи данных по оптическому кабелю, у SONET нет опирающейся на стандарты альтернативы.

Третье ценное свойство SONET — отказоустойчивость. Функция APS реализована всеми крупнейшими операторами; она позволяет им продолжать оказывать телекоммуникационные услуги даже при перерезании кабеля экскаватором.

ATM И УРОВЕНЬ 2

Точно так же, как SONET имеет функции, не укладывающиеся в традиционное определение протокола физического уровня, функциональность ATM не соответствует только протоколу канального уровня. Преобразование всего трафика в ячейки фиксированной длины, как это делает ATM, не предусмотрено никакими правилами для второго уровня, хотя с точки зрения коррекции ошибок ячейка ATM и представляет собой типичный кадр второго уровня. Кроме того, содержащаяся в ней адресная информация имеет смысл только в пределах локального информационного канала. Вместе с тем ATM имеет проработанные механизмы обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS), но, вообще говоря, это функциональность отнюдь не канального уровня. Между тем ATM четко укладывается в определение второго уровня в том, что касается интерфейса с физическим уровнем. В качестве первого уровня он может использовать различные методы для передачи ячеек по оптическому кабелю, включая SONET (с практически любой скоростью), медную проводку с неэкранированными парами Категории 5 и линии Т-1. Коммутаторы ATM лучше всего рассматривать как устройства канального уровня, хотя они обычно нуждаются в дополнительных возможностях для взаимодействия с IP и другими протоколами сетевого уровня.

Главное преимущество ATM — в его способности передавать трафик реального времени, например речь и видео, без внесения задержки и вариации задержки и одновременно служить в качестве статистического мультиплексора для ряда потоков другого трафика.

Традиционные синхронные сети поддерживают трафик реального времени за счет выделения канала в его исключительное распоряжение. Недостаток такого подхода в том, что, когда трафик отсутствует, канал простаивает. Сети передачи датаграмм, такие, как Internet, распределяют свою пропускную способность намного более эффективно за счет ограничения непрерывной передачи пакетов, организации очередей на промежуточных узлах и запроса повторной передачи утерянных пакетов. Платой за такое эффективное использование пропускной способности является непредсказуемость, периодические длительные задержки и часто неприемлемый уровень вариации задержки для данных реального времени.

ATM реализует единую сеть для речи, видео и данных, где речевые и видеопотоки обслуживаются с малой задержкой и вариацией задержки, как и требуется. В то же время нечувствительные ко времени данные могут воспользоваться оставшейся емкостью канала и, в принципе, заплатить меньшую цену, пожертвовав гарантированным качеством обслуживания.

Изначально ATM мыслился как протокол, используемый на всем протяжении пути от настольной системы до магистрали включительно. К несчастью для ATM, скорость интерфейсов Ethernet возросла сначала на порядок, а затем на два порядка, причем при несравненно меньшей цене, чем у конкурирующих интерфейсов ATM. В результате ATM доминирует в сетях сервис-провайдеров и имеет крепкие позиции на корпоративных магистралях, но в конечных системах применяется только для узкоспециальных приложений, где его возможности стоят своей цены. Кроме того, объединение сетей ATM и Ethernet представляет весьма непростую задачу.

Сегодня, однако, выбор способа подключения компании к Internet — между ATM и frame relay или выделенной линией — представляет собой скорее финансовый, нежели технический вопрос. Так, порт ATM на маршрутизаторе доступа, магистральном коммутаторе ATM или концентраторе доступа может без труда быть сконфигурирован в качестве постоянного виртуального соединения с провайдером Internet без необходимости остановки локальной сети и возникновения каких-либо особых проблем при инсталляции.

НАКЛАДНЫЕ РАСХОДЫ ATM

Несмотря на все прогнозы «избытка пропускной способности», ее реальная стоимость не сильно изменилась. Сервис-провайдеры хотят продавать заказчикам пропускную способность по как можно более высокой цене и при этом стремятся экономить на всем, на чем только можно. Им абсолютно ненавистен тот факт, что каждый раз при преобразовании пакета IP в ячейку ATM 5 байт из 53-байтной ячейки теряются на накладные расходы.

Кроме того, дополнительные накладные расходы возникают вследствие несоответствия размера кадра размеру ячеек. Например, кадр с полезной нагрузкой 40 байт (типичный размер полезной нагрузки в Internet, так как синхронизирующие и квитирующие пакеты имеют обычно минимальный размер 64 байт) поместится в одной ячейке, причем места хватит еще и на 8 байт для кода коррекции ошибок. Однако кадру длиной 41 байт потребуется две ячейки, причем вторая ячейка будет практически пустой. Далее, длинный пакет должен быть разбит на множество ячеек — до 38 в случае пакета длиной 1518 байт, а потеря даже одной из этих ячеек ведет к необходимости передавать весь пакет заново.

Накладные расходы на преобразование IP-трафика в ATM называются обычно «налогом на ячейки». В зависимости от принятых допущений относительно размера пакетов и доли потерянных пакетов, они могут составлять до 13 и более процентов от общей пропускной способности.

Как следствие, сервис-провайдеры считают, что ATM и разбиение на ячейки не приносят им никакой пользы тем более, если трафик состоит исключительно из данных IP. IP-пакеты не предъявляют никаких особых требований к качеству обслуживания, по крайней мере в традиционных сетях IP. Функция статистического мультиплексирования ATM может с тем же успехом выполняться маршрутизатором, если трафик реального времени отсутствует. В результате производители маршрутизаторов и коммутаторов стали все чаще слышать от заказчиков требования предоставить им «IP поверх SONET» или «пакеты поверх SONET». Цель состоит в устранении уровня ATM и налога на ячейки (см. статью Д. Эйнджела «Пакеты поверх SONET/SDH» в апрельском номере LAN за этот год).

Рисунок 2. Для устранения налога на ячейки технология IP поверх SONET использует PPP для формирования кадров из IP-пакетов на втором уровне.

Однако вообще без канального уровня обойтись невозможно, но можно воспользоваться Point-to-Point Protocol (PPP, см. Рисунок 2). Соответствующие стандарты для реализации PPP вместо ATM на втором уровне описаны в RFC1619 «PPP поверх SONET/SDH», RFC1661 «Протокол «точка—точка» и RFC 1662 «PPP в HDSL-подобном формате».

PPP представляет собой простейший механизм, которому известны только две конечные точки канала; в то время как ATM устанавливает виртуальные сквозные соединения, состоящие из множества каналов. В отличие от ATM, PPP не предназначен для комбинирования или мультиплексирования разных потоков данных. Кроме того, при использовании PPP механизмы контроля QoS придется реализовать на третьем и более высоких уровнях, потому что PPP не способен классифицировать данные в соответствии с их приоритетами или реагировать должным образом на состояние перегрузки. Однако PPP отлично справляется со своей работой, если все, что необходимо, — это практически свободный от ошибок прямой канал передачи данных.

ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ IP ПОВЕРХ SONET

Имеющим собственные высокоскоростные оптические магистрали для IP-данных сервис-провайдерам необходим только широкий высокоскоростной канал передачи битов между их маршрутизаторами. При отсутствии заторов в сети гарантируемое ATM качество обслуживания имеет весьма спорные преимущества, а коммутация каналов ATM вообще не нужна.

IP превосходно подходит для доставки трафика от отправителя к получателю, а TCP — для обеспечения надежного, устойчивого сквозного соединения. Поэтому IP поверх SONET представляет собой вполне разумный выбор для связи маршрутизаторов при организации ориентированной на передачу данных магистрали IP. Sprint, Qwest и UUNET внедрили IP поверх SONET именно для этих целей. Одним из показательных примеров прямого канала, где пропускной способности всегда не хватает, служит подводный кабель. Так, каналы IP поверх SONET проходят по дну Атлантического и Тихого океанов.

Частным компаниям редко приходится иметь дело с такими широкими каналами, как в случае IP поверх SONET, разве только если у них имеется очень-очень быстрая оптическая сеть. Для действительно крупных корпоративных сетей, где приходится передавать большие объемы данных по IP, справедливы те же аргументы в отношении объединения сетей и доступа в Internet, что и используемые операторами для обоснования применения IP поверх SONET на магистрали. Помните, однако, что создание единой сети для речи, видео и данных имеет свои преимущества. Никто в наше время не станет активно защищать использование раздельных сетей. Между тем IP поверх SONET предназначен прежде всего для передачи данных.

КАЧЕСТВО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Наиболее важными для успешной передачи речи и видео по сети являются два параметра QoS — задержка и вариация задержки. Задержка — это время передачи данных по сети из конца в конец, а вариация задержки — это разница в задержке (по сути, стандартное отклонение).

Не перегруженная сеть с узлами коммутации или маршрутизации со скоростью поступления пакетов не будет вносить дополнительной задержки по сравнению с возникающей из-за конечной скорости распространения сигнала. При постоянной задержке ее вариация пренебрежимо мала. Конечно, в не перегруженной сети некоторая доля ее пропускной способности оказывается неиспользуемой, если только объем трафика в точности не совпадает с емкостью сети, что на практике невозможно. Часто сервис-провайдеры пытаются избежать перегрузок за счет создания по крайней мере двойного запаса емкости по сравнению с предполагаемыми объемами трафика. Конечно, такого рода решение ведет к «потере» 50% и более емкости канала, по сравнению с чем налог на ячейки выглядит просто смешным.

Поэтому мы будем предполагать, что сеть близка к насыщению. Коммутаторы и маршрутизаторы ликвидируют перегрузки с помощью очередей. Очереди накапливают избыточный трафик и передают его в порядке поступления небольшими порциями в сеть по мере рассасывания затора. В случае нескольких очередей коммутатор или маршрутизатор может реализовать приоритетное обслуживание в зависимости от способа дифференциации трафика. Управление очередями должно быть тщательно продумано во избежание возникновения непредсказуемых задержек и, как следствие, сильной вариации задержки.

Между тем сеть ATM не предоставит для трафика виртуальное соединение, если она не будет в состоянии обеспечить требуемое качество обслуживания из конца в конец. Речевой и видеотрафики будут иметь ту же задержку и вариацию задержки в сети ATM, что и в сети на базе каналов с временным мультиплексированием (Time Division Multiplexing, TDM). Здесь нет никакого волшебства — поток данных получит эквивалент сигнала «занято», если сеть ATM будет чрезмерно загружена.

Мир IP наконец-то занялся разработкой механизмов третьего и четвертого уровней для обеспечения качества обслуживания для потоков данных реального времени. Плодом усилий так называемой группы интегрированных услуг стал протокол резервирования ресурсов (Resource Reservation Protocol, RSVP). С его помощью приложения могут зарезервировать маршрут с определенными характеристиками через сеть IP. Как и ATM, он реализует политику доступа — если ресурсов сети недостаточно для обеспечения требуемого уровня сервиса, то приложение получает отказ в соединении.

RSVP был успешно внедрен в локальных проектах, но столкнулся с проблемами масштабирования до типичных для магистрали Internet объемов трафика. Привлекательность Internet в том, что маршрутизаторам не требуется «знать контекст». Они обслуживают каждый пакет индивидуально — по одному за раз. Это позволяет максимизировать производительность маршрутизатора и минимизировать его вычислительные ресурсы, потому что маршрутизатору не требуется хранить и искать информацию о маршруте для потока данных на всем его протяжении.

Однако RSVP предполагает учет контекста (или состояния) маршрута от отправителя до получателя. В частной сети такие накладные расходы вполне допустимы. В Internet, где маршруты пролегают через ядро Internet, а объемы трафика огромны, отслеживать контекстную информацию о маршрутах для RSVP практически нереально, тем более нереально реализовать процесс экономичным образом. По сути, ни один крупный провайдер Internet не изъявил желания поддерживать RSVP в своей общедоступной сети.

Не желая продолжать обреченные попытки реализовать QoS по типу ATM, группа по архитектуре интегрированных сервисов предложила дифференцированное обслуживание (DiffServ). В соответствии с этим механизмом некоторые данные получают более высокий приоритет, но при этом ни одному потоку не гарантирован конкретный уровень сервиса. На третьем уровне маршрутизаторы (и коммутаторы третьего уровня, отличающиеся от них только позиционированием на рынке) могут повлиять на качество обслуживания посредством распределения трафика между разными очередями. Пакет с наивысшим приоритетом будет по возможности обслужен маршрутизатором немедленно при его поступлении. Иными словами, организация очередей по приоритетам гарантирует только, что в случае возникновения перегрузки пакет с высоким приоритетом будет передан маршрутизатором быстрее, чем пакет с низким приоритетом, но задержка при этом может оказаться весьма заметной.

Среди других механизмов для приоритезации трафика в сетях IP — контроль скорости TCP. Он предусматривает явное регулирование размера окна TCP на конечных точках, чтобы он не увеличивался слишком быстро до максимальной величины. Как и механизм очередей, контроль скорости TCP ограничивает потоки пакетов, но он не в состоянии полностью предотвратить заторы в сети.

Оба метода — очереди по приоритетам и контроль скорости TCP — весьма полезны для извлечения максимума возможного из загруженных сетей и предоставления приоритета некоторым классам трафика. При определенном уровне загруженности, комбинациях трафика и фазах луны эти механизмы вполне в состоянии обеспечить для отдельного потока пропускную способность, задержку и вариацию задержки в определенных пределах. Однако все это далеко не то же самое, что гарантированные уровни сервиса.

Среди поставщиков магистральных коммутаторов и маршрутизаторов все сильнее разгорается спор о необходимости ATM и его механизмов коммутации каналов второго уровня для обеспечения QoS. Будучи одним из главных сторонников IP поверх SONET, Cisco считает вполне достаточной реализацию продуманных механизмов организации очередей для удовлетворения в рамках третьего и четвертого уровней TCP/IP всех требований к QoS чувствительных ко времени данных. Некоторые молодые компании, выпускающие высокопроизводительное маршрутизирующее/коммутирующее оборудование, в том числе Avici и Nexabit, вообще не поддерживают ATM на магистральных каналах между своими маршрутизаторами. Другие предлагают выбор между ATM и IP для каналов между узлами. Argon и NetCore, а также традиционные «телефонные» компании, в частности Nortel Networks и Lucent Technologies, видят место для ATM в ядре сети.

Некоторые из представителей сетевого мира заявляют, что интерфейсы ATM будет непросто масштабировать до скоростей OC-48 и выше, хотя одно из преимуществ данных SONET состоит в том, что они могут быть без труда демультиплексированы и обработаны с помощью совокупности менее скоростных интерфейсов. Другими словами, даже если интерфейсы ATM для высоких скоростей и будут недоступны, то комбинация более медленных интерфейсов будет вполне в состоянии их заменить.

IP ПО СТЕКЛОВОЛОКНУ

Функция APS вводит, так сказать, «налог на отказоустойчивость». Каждому защищенному оптическому волокну в SONET соответствует другое оптическое волокно, готовое в любой момент заменить его. Другими словами, «налог на отказоустойчивость» в SONET составляет 50% от общей пропускной способности кабеля. В ядре крупной сети ячеистая топология из множества узлов имеет многочисленные избыточные каналы. Как следствие, многие операторы рассматривают резервные линии SONET как излишество и хотели бы отказаться от данного уровня. Кроме того, эти заказчики недовольны требованием использовать дорогостоящее оборудование для мультиплексирования, когда все, что требуется создать, — это канал «точка—точка».

Точно так же, как функции второго уровня все равно необходимо выполнять, даже если вы отказываетесь от ATM, базовые функции физического уровня требуется реализовать, даже если вы откажетесь от SONET. На самом деле, технология IP поверх фотонов (или IP по оптическим волнам, или IP по стекловолокну, или IP поверх лямбда) вовсе не отказывается от физического уровня. Все реализованные версии IP поверх фотонов сохраняют структуру кадров SONET.

Рисунок 3. IP поверх фотонов описывает способ блокирования функции APS в SONET во избежание создания резервного канала.

С помощью интерфейсов маршрутизаторов для IP поверх фотонов компании Cisco два маршрутизатора могут взаимодействовать по оптическому кабелю без помощи мультиплексора ввода/вывода, но во всех остальных отношениях трафик между ними будет трафиком SONET с отключенной функцией APS (см. Рисунок 3). Несмотря на сходство с SONET, все имеющиеся реализации IP поверх фотонов несовместимы между собой — усилия по стандартизации практически не предпринимаются.

КОНВЕРГЕНЦИЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

В наши дни мир магистралей изобилует парадоксами и неопределенностями. Как только стала очевидна способность IP поддерживать крупномасштабные сети без установления соединения с доставкой пакетов по мере возможности, IETF создал рабочую группу по интегрированным услугам для поддержки ориентированного на соединение трафика с контролем доступа и гарантированным качеством обслуживания. Ориентирующиеся на IP операторы недовольны неэффективностью низкоуровневых протоколов для их сетей, но в результате они переходят на методы обеспечения QoS на базе IP, неспособные адекватно поддерживать трафик реального времени, если только сеть не имеет такого избытка ресурсов, что никаких перегрузок не может возникнуть в принципе.

Сервис-провайдеры хвастаются огромной емкостью своих оптических кабелей, многократно возрастающей при применении новейшей технологии уплотнения по длине волны (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), но в то же время они готовы удавиться из-за накладных расходов в несколько процентов.

Сочетание коммутации пакетов и ячеек представляется неизбежным решением для мультисервисных сетей будущего, но с этим не согласна компания Monterey Networks. Несмотря на то что он называется маршрутизатором по длине волны, ее продукт создает маршруты на базе коммутируемых каналов на нескольких длинах волн OC-48 и гибким образом перенаправляет поступающий сигнал с одной длиной волны на исходящую волну с другой длиной под управлением Wavelength Routing Protocol (WARP).

Очевидно, что если оператор предоставляет исключительно услуги с доставкой по мере возможности, то он может повысить эффективность своего маршрутизируемого ядра посредством отказа от ATM, APS и мультиплексоров ввода/вывода. Однако если оператор намеревается предоставлять и другие услуги, в том числе для голоса и видео, а также передавать нечувствительный ко времени информационный трафик, то ничего лучше ATM для обеспечения качества обслуживания ему не найти, по крайней мере для центральной части сети. Специальные сервисы для поддержки голоса и видео необходимы независимо от того, как передаются эти данные — в виде пакетов IP с последующим преобразованием в ячейки ATM или с непосредственным преобразованием в ячейки ATM.

При наличии избытка дешевой пропускной способности решения на базе IP могут с успехом предоставлять услуги реального времени в сетях, где ATM вообще не используется, так как любым критичным ко времени потокам данных может быть предоставлена своя длина волны. Однако если пропускная способность будет дешева и в избытке, то вряд ли кто-нибудь станет тратить усилия на повышение эффективности низкоуровневых протоколов.

Если стоимость пропускной способности глобальных сетей не изменится, то объединенная сеть для всех видов данных, включая речь и видео, будет лучшим способом минимизации общей стоимости владения сетью. В этом случае IP поверх ATM поверх SONET с MPLS для преодоления участков, где коммутация имеет преимущества над маршрутизацией и наоборот, представляется наиболее обещающим решением.

Ресурсы Internet

Ценную техническую дискуссию об IP поверх SONET и об IP поверх ATM вместе с обширным списком ссылок можно найти на http://www.trillium.com/whats-new/wp_ip.html.

Сравнительный анализ традиционных магистралей TDM, гибридных с применением пакетов, исключительно на базе пакетов и полностью на базе ATM, скрупулезно перечисляет все «за» и «против» четырех перечисленных подходов (с учетом принятых допущений для упрощения анализа). Его можно найти на http://www.mstm.okstate.edu/faculty/scheets/pub/wcgwhite.htm.

Cisco Systems является активным сторонником как пакетов поверх SONET, так и пакетов поверх фотонов, также известных как Dynamic Packet Transport. Эти технологии рассмотрены в двух популярно-технических статьях на http://www.cisco.com/warp/public/cc/cisco/mkt/core/12000/tech/posdh_wp.htm и http://www.cisco.com/warp/public/cc/cisco/mkt/servprod/opt/dpt/tech/dpta_wp.htm.